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相对论天体物理学

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  理论天体物理学的一个分支,以广义相对论等引力理论为主要工具来研究有关天体现象的学科。
  1915年爱因斯坦建立广义相对论时,他给出的第一个应用,就是定量地解释水星近日点进动问题(即用来解释牛顿引力理论不能解释的部分)。所以,原则上可以说,从广义相对论诞生时起,相对论天体物理学也同时诞生了。然而,在1915年以后的四十多年里,除了几何宇宙学以外,广义相对论对天体物理学并没有产生大的影响。这是因为,在“通常”的天体对象中引力场太弱,没有应用广义相对论的必要。对于“通常”的天体物理学来说,广义相对论和牛顿引力理论在量级上的差别是十分微小的。在太阳系中只有引力红移光线偏转、水星近日点进动、雷达信号的延迟等几个效应与广义相对论有关(见广义相对论的天文学验证)。
  一个体系的引力场的强弱,可以用体系的尺度R同它的引力半径rg之比来衡量。rgGM/c2,其中M为体系质量,G为万有引力常数,c为光速。如果体系的比值rgR《1,属于弱场;如果rgR≈1,则属于强场。下表列出一些常见的天体的rg/R值:它们都远远小于1,这正是牛顿引力理论得以适用的根据。还可以从另外一个角度来看这个问题。如果质量M的体系所产生的引力场是强的,它们的空间尺度R。换句话说,如想把质量为M的体系变成强引力场的源,就应把这个体系压缩到R那么小的空间范围之内。例如,只有把太阳压缩成几十公里直径的球,它才能成为强场天体。

  根据从地面实验室中得到的经验,会认为这种压缩是完全不可能的。但是,早在三十年代,就提出天体的引力坍缩概念。这个概念是说,一个天体系统,在自身引力的作用下,总要无限地坍缩下去。经过更仔细的理论分析,进一步肯定了这个概念。总之,一个质量足够大的星体,不能摆脱引力坍缩的结局。引力的存在本身就必然导致强引力场天体的存在。按照这个结论,宇宙间不仅一定存在具有强引力场的天体,而且为数应当很多。六十年代的天文观测逐步证实了这种观点。其中关键的一步是关于蟹状星云脉冲星的研究。蟹状星云是1054年的超新星遗迹。它的中心有颗恒星,观测发现它是一颗脉冲星,脉冲周期仅33毫秒,而且周期非常稳定,说明这是由自转引起的。脉冲周期极短,说明自转天体的空间尺度很小。另一方面,脉冲星光度很大,又表示它的质量不可能太小。这样一个大质量而小体积的天体,正是那种经过引力坍缩后形成的致密天体。1054年的超新星爆发就是引力坍缩的一种表现。天文观测还发现了一些其他类型的具有强引力场的天体,其 rg/R 值列于下表:相对论天体物理学的第一个成果就是发现自然界中具有强引力场的天体的种类很多,数量很大,这完全改变了旧有的宇宙天体观念。

  相对论天体物理学包括以下几个方面:①相对论宇宙学:这是最早发展起来的一个分支。它研究宇宙的大尺度时空结构和几何特征。目前,比较有影响的是膨胀宇宙模型大爆炸宇宙学等。②致密天体物理学:研究恒星核能源耗尽后将发生的引力坍缩过程,以及坍缩后形成的致密星,如简并矮星、中子星黑洞等。③引力波天文学:研究各种天体过程的引力波发射,以及引力辐射对天体现象的影响。直接探测天体发射引力波的工作,也在进行中。④后牛顿天体力学:研究广义相对论对“普通”天体力学(即以牛顿引力理论为基础的天体力学)的各种修正。例如,双星的近星点的相对论进动,自转轴的相对论进动等等。
  用天体的运动性质来检验各种引力理论,也是相对论天体物理的一个重要方面。广义相对论的几个主要预言,例如光线偏转、宇宙膨胀、引力波的存在等,都是首先通过天文观测来检验的。因此,相对论天体物理学不仅是一门广义相对论的应用学科,而且也是探索引力规律的一门基础学科。
  参考书目
 温伯格著,邹振隆译:《引力和宇宙论》,科学出版社,北京,1979。(S. Weinberg, Gravitation and Cosmology,John Wiley and Sons, New York, 1972.)
 中国科学技术大学编:《现代物理学参考资料》,第二集,科学出版社,北京,1978。
 Ya. B. Zeldorich and I.D.Novikov,Relativistic Astrophysics, Vol.1,Univ.of Chicago Press,Chicago,1971.

 

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